Fiche explicative de la leçon: Tension fournie par les générateurs Sciences • Troisième préparatoire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à calculer la tension fournie par un générateur en fonction du travail fourni pour séparer les charges.

Rappelons les propriétés d’une charge. Un objet ou une particule peut être chargée positivement, chargée négativement, ou être neutre. Une charge est mesurée en coulombs, C.

Des charges de même nature se repoussent et des charges de nature opposée s’attirent. Cela signifie qu’une charge positive et une charge négative subiront une force d’attraction entre elles. La force d’attraction les tire l’une vers l’autre.

Si nous voulons séparer deux charges opposées, nous devons surmonter la force d’attraction entre elles. Cela signifie que nous devons fournir du travail aux charges. Afin d’augmenter la distance entre les charges, nous devons transférer de l’énergie aux charges, afin qu’elles soient en mesure de surmonter la force d’attraction entre elles.

Lorsque nous séparons les charges, nous créons une différence de potentiel électrique entre elles. La différence de potentiel électrique nous indique la quantité de travail qui a été fournie aux charges pour les séparer.

Exemple 1: Reconnaître la différence de potentiel électrique entre des charges séparées

L’image montre une charge positive et une charge négative proches l’une de l’autre. Les charges sont fixées en place et ne peuvent pas bouger.

Complétez la phrase suivante : La séparation des charges positives et négatives crée entre elles.

1. une différence de potentiel électrique
2. un courant électrique

Réponse

La réponse est A, une différence de potentiel électrique.

L’image montre une charge positive et une charge négative, avec une distance entre elles. Par conséquent, l’image montre une paire de charges opposées, qui ont été séparées.

Pour séparer des charges opposées, un travail doit être fourni pour surmonter la force d’attraction entre les charges. Lorsque le travail est fourni pour séparer des charges, une différence de potentiel électrique est créée entre les charges.

Un courant électrique est un flux de charge. On nous dit que les charges sont fixées en place et ne peuvent pas bouger. Par conséquent, il n’y a pas de courant électrique sur cette image.

Maintenant que nous avons compris comment la séparation de charges crée une différence de potentiel, regardons comment une différence de potentiel est créée entre deux points d’un matériau.

On peut créer une différence de potentiel entre deux points d’un matériau, en séparant les charges au sein de ce matériau.

Les matériaux sont constitués d’atomes. Les atomes contiennent deux types de particules chargées. Le noyau de l’atome contient des protons qui sont chargés positivement. À l’extérieur du noyau, il y a des électrons qui sont chargés négativement.

Les protons et les électrons ont tous les deux la même charge, mais un proton est chargé positivement, et un électron est chargé négativement. Dans un atome, le nombre de protons est égal au nombre d’électrons.

La figure ci-dessous illustre les charges présentes au sein d’un morceau de matériau. Les cercles bleus représentent les électrons. Les cercles rouges représentent les noyaux des atomes du matériau. Dans ce matériau, chaque noyau contient un proton. Cela signifie que le nombre de charges positives dans ce matériau est égal au nombre de charges négatives.

Il n’y a pas de différence de potentiel électrique entre les deux extrémités de ce matériau.

Étant donné que le matériau contient un nombre égal de charges positives et de charges négatives, le matériau est globalement neutre. Les charges positives et les charges négatives sont réparties uniformément sur tout le matériau. Cela signifie que le matériau est neutre partout.

Ceci est illustré sur l’image suivante du même matériau.

Si nous additionnons toutes les charges dans la région à l’extrémité droite du matériau, nous constatons que cette région contient le même nombre d’électrons négatifs et de noyaux positifs. Cela signifie que, dans l’ensemble, cette région est neutre.

De même, la région à gauche est également neutre.

Les extrémités gauche et droite de ce matériau sont neutres. Ainsi, il n’y a pas de séparation de charge à travers le matériau. Par conséquent, il n’y a pas de différence de potentiel électrique entre l’extrémité gauche et l’extrémité droite du matériau.

Cependant, nous pouvons créer une différence de potentiel sur ce matériau, en fournissant du travail aux charges.

Dans un solide, les noyaux atomiques sont fixés en place, selon la structure du matériau. Les protons sont contenus dans les noyaux des atomes. Cela signifie que les protons dans un solide sont fixés en place. Par conséquent, les charges positives dans un solide ne peuvent pas bouger.

Les électrons ne sont pas contenus dans le noyau. Cela signifie que nous pouvons fournir du travail aux électrons, afin de les déplacer dans le matériau.

En fournissant du travail aux électrons, nous pouvons les déplacer vers une extrémité du matériau. Ceci est illustré par l’image suivante.

Sur ce schéma, les électrons ont été déplacés vers le côté droit du matériau. Nous appelons cela une « accumulation d’électrons » sur le côté droit.

Étant donné que les charges dans le matériau ne sont plus uniformément espacées, les deux côtés du matériau ont des charges globales différentes.

Ceci est illustré par l’image suivante.

Sur le côté droit du matériau, il y a une accumulation d’électrons. Cela signifie que cette région du matériau contient plus d’électrons que de protons. Ainsi, le côté droit du matériau est chargé négativement.

Sur le côté gauche du matériau, il y a plus de protons que d’électrons. Ainsi, le côté gauche du matériau est chargé positivement.

Dans ce matériau, un travail a été fourni pour déplacer les électrons. Le côté droit du matériau est maintenant chargé négativement, et le côté gauche du matériau est maintenant chargé positivement. Cela signifie qu’il y a une séparation des charges à travers le matériau. Par conséquent, il y a maintenant une différence de potentiel électrique entre les deux côtés du matériau.

Exemple 2: Identifier la séparation des charges dans un matériau

L’image montre les électrons et les noyaux atomiques dans un morceau de matériau. Les électrons ne peuvent pas circuler le long de ce matériau. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques.

1. À quelle extrémité du matériau y a-t-il une accumulation d’électrons ? 
2. Complétez la phrase : L’accumulation d’électrons à une extrémité du matériau crée le long de la pièce.
   1. une différence de potentiel électrique
   2. un courant électrique

Réponse

Partie 1

Il y a une accumulation d’électrons à l’extrémité droite du matériau.

Une accumulation d’électrons se produit à une extrémité d’un matériau, lorsque les électrons dans le matériau se déplacent vers cette extrémité. Cela signifie qu’il y a plus d’électrons à cette extrémité du matériau qu’à l’autre extrémité.

Sur cette figure, il y a plus d’électrons à l’extrémité droite qu’à l’extrémité gauche. Les électrons se sont déplacés vers l’extrémité droite du matériau, de sorte qu’il y a une accumulation dans l’extrémité droite.

Partie 2

La réponse est A, une différence de potentiel électrique.

Puisqu’il y a une accumulation d’électrons à l’extrémité droite du matériau, les deux extrémités du matériau ont maintenant des charges opposées.

L’extrémité droite contient plus d’électrons que de protons, elle est donc chargée négativement. L’extrémité gauche contient plus de protons que d’électrons, elle est donc chargée positivement.

Les deux extrémités du matériau ont maintenant des charges opposées, il y a donc une séparation des charges à travers le matériau. Par conséquent, il y a une différence de potentiel électrique entre les deux extrémités du matériau.

Un conducteur est un type de matériau où les charges sont très mobiles.

Dans les conducteurs, un travail peut être fourni pour provoquer une accumulation d’électrons à une extrémité du matériau, comme nous en avons déjà discuté. Cela signifie qu’il y a une séparation des charges, et donc une différence de potentiel aux bornes du conducteur. Mais quand on arrête de fournir du travail, les électrons peuvent circuler très facilement à travers le matériau.

Lorsque cela se produit, les électrons migrent, afin de se répartir uniformément à nouveau dans le matériau. C’est parce que les électrons ont la même charge. Par conséquent, il y a une force de répulsion entre les électrons, les repoussant les uns des autres.

Lorsque les charges sont réparties uniformément dans le matériau, il n’y a pas de séparation des charges et donc pas de différence de potentiel à travers le matériau.

Ainsi, lorsque des particules chargées peuvent circuler dans un conducteur, le matériau redevient neutre. Lorsque cela se produit, il n’y a pas de différence de potentiel entre deux points du conducteur.

Exemple 3: Reconnaître la différence de potentiel électrique dans les générateurs Van de Graaff

L’image montre un générateur Van de Graaff.

1. Complétez la phrase : Lorsque le générateur est allumé, des charges s’accumulent sur la grande sphère.
   1. positives
   2. négatives
2. La petite sphère est reliée à la Terre par un câble en cuivre. Elle est rapprochée de la grande sphère, mais aucune étincelle ne se produit entre elles.
   Complétez la phrase : L’accumulation de charges négatives sur la grande sphère crée entre la grande et la petite sphère.
   1. un courant électrique
   2. une différence de potentiel électrique

Réponse

Partie 1

La réponse est B, négatives.

Un générateur Van de Graaff est un appareil qui sépare les charges. À l’intérieur du générateur Van de Graaff, les électrons sont éjectés d’une courroie en caoutchouc en rotation et transférés vers la grande sphère. Cela provoque une accumulation de charges négatives sur la grande sphère.

Partie 2

La réponse est B, une différence de potentiel électrique.

Il y a une accumulation d’électrons sur la grande sphère, de sorte que la grande sphère est chargée négativement.

La petite sphère est reliée à la Terre par un câble en cuivre. Le cuivre est un conducteur, ce qui signifie que les charges peuvent circuler facilement dans le câble. Cela signifie qu’il n’y a pas d’accumulation de charges sur la petite sphère. La petite sphère est neutre.

Il y a une différence de potentiel électrique entre la grande sphère et la petite sphère, en raison de l’accumulation de charges sur la grande sphère. Cela est dû aux forces de répulsion entre les électrons, qui ont tous la même charge.

Il est possible d’avoir un courant électrique entre la grande et la petite sphère. En raison de la différence de potentiel électrique, les électrons peuvent circuler de la grande sphère vers la petite sphère. Lorsque cela se produit, les charges qui se déplacent dans l’air produisent un éclair de lumière et un craquement appelé « étincelle ».

Cependant, dans cette question, on nous dit qu’il n’y a pas d’étincelle entre les sphères. Par conséquent, aucun courant ne doit circuler entre les sphères.

Exemple 4: Identifier la séparation des charges dans un fil de cuivre

L’image montre les électrons et les noyaux atomiques dans une section de fil de cuivre. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques.

Au début, il y a une accumulation d’électrons à l’extrémité droite du fil. Que se passe-t-il dans le fil au cours du temps ? 

Réponse

La réponse est la suivante : les électrons se déplaceront vers l’extrémité gauche du fil jusqu’à ce qu’ils soient espacés uniformément.

Dans ce matériau, un travail a été fourni pour déplacer les électrons vers l’extrémité droite du matériau, provoquant une accumulation de charge. Cela crée une séparation des charges entre les deux extrémités du matériau. Par conséquent, il y a une différence de potentiel électrique entre les deux extrémités du matériau.

Le cuivre est un matériau conducteur. Cela signifie que les charges peuvent circuler facilement à travers le cuivre.

Lorsque nous arrêtons de fournir du travail pour déplacer les électrons, les électrons vont migrer, afin de se répartir uniformément à nouveau dans le matériau. C’est parce que les électrons ont la même charge. Par conséquent, il y a une force de répulsion entre les électrons, les repoussant les uns des autres.

Cela permet au matériau de retourner à l’équilibre et de redevenir neutre. Lorsque les charges sont uniformément espacées, il n’y a pas de différence de potentiel entre deux points du fil.

Considérons maintenant la différence de potentiel électrique à travers une batterie dans un circuit.

Une batterie est une source d’alimentation dans un circuit électrique. Les batteries contiennent des produits chimiques, qui sont constitués de particules chargées. La batterie fournit du travail afin de séparer les particules de charges opposées. Cela crée une différence de potentiel électrique à travers la batterie. La différence de potentiel électrique à travers une batterie est appelée une force électromotrice.

La force électromotrice d’une batterie permet aux charges de circuler autour d’un circuit.

Rappelons qu’il existe une force d’attraction entre des charges séparées et de nature opposée qui attire les charges négatives vers les charges positives. Lorsqu’une batterie est connectée à des fils conducteurs, les électrons provenant de la borne négative de la batterie traversent le circuit, jusqu’à ce qu’ils atteignent la borne positive de la batterie.

Les électrons circulent à travers le circuit, au lieu de remonter à travers la batterie, car le circuit est fait de matériaux conducteurs. Cela signifie qu’il est plus facile pour les électrons de traverser le circuit.

Ainsi, la force électromotrice d’une batterie peut produire un courant dans un circuit électrique.

On peut calculer la différence de potentiel électrique à travers une batterie, , en utilisant la formule suivante.

La différence de potentiel électrique est mesurée en volts, V.

La formule ci-dessus nous montre que la tension aux bornes d’une batterie est égale au travail fourni pour séparer les charges, mesuré en joules, divisé par la quantité de charges séparées, mesurée en coulombs. Par conséquent, . Ainsi, l’unité d’un volt, V, est égal à un joule par coulomb, J/C.

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.